第2章 无线通信和网络仿真技术基础20150528

第2章无线通信和网络仿真技术基础金光,江先亮2本章内容简介☆无线电频谱☆无线传输介质和方式☆损耗与衰落☆调制☆扩频☆复用和多址☆天线☆MIMO☆认知无线电☆可见光和激光通信☆网络仿真技术简介☆NS2基础知识☆用NS2进行无线网络仿真3无线电频谱无线电频谱特点 ☆有限性：频段有限 ☆排它性：一定时间、地区和频域内独占 ☆复用性：一定时间、地区、频域和编码条件下可复用 ☆非耗尽性：可重复利用不会耗尽 ☆传播性：不受国界和行政地域限制，但受自然环境影响 ☆易干扰性：互相干扰4无线电频谱划分国际上将无线电波频谱划分为12个频段，通常的无线电通信只使用其中第4~12频段。ITU规定ISM(IndustrialScientificMedical，工业科学医疗)频段，开放给三类机构使用，无需许可证授权，可免费使用。ISM频段各国规定不一：美国为902-928MHz、2.4-2.4835GHz和5.725-5.850GHz，其中2.4GHz频段为各国通用。欧洲的ISM低频段为868MHz和433MHz。使用需遵守一定发射功率(<1W)，不要干扰其它频段。许多无线网络工作于ISM频段。详细的无线电频谱和波段划分见表2.1无线电频谱和波段划分表56无线电管理部门美国联邦通信委员会(FederalCommunicationsCommission，FCC)。

专门负责管理美国内外无线电广播、电视、电信、卫星和电缆等业务，涉及各州及所属地区。各种无线通信和数字产品进入美国市场，都需FCC认可。中国无线电管理局

专业无线电管理部门，依据《中华人民共和国无线电管理条例》等法律法规负责管理。

具体职责：频率使用和管理、固定台站布局规划、台站设置认可、频率分配、电台执照管理、公用移动通信基站的共建共享、监督无线电发射设备研制生产销售、无线电波辐射和电磁环境监测等。67无线传输介质和方式无线传输空间：地球大气层和外层空间无线传输介质 ☆传输介质指数据传输系统中发送方和接收方之间物理路径 ☆传输介质可分导向和非导向两类 ⑴导向传输介质用于有线通信，包括双绞线、同轴电缆(粗缆和细缆)、光纤、电力线等。 ⑵无线通信和无线网络则使用非导向传输介质，如无线电波。8非导向传输介质无线电波：自由空间传播的射频频段电磁波，基本原理是导体中电流强度改变会产生无线电波。可通过调制将信息加载于无线电波中。电波通过空间传播到达接收方时，电波引起电磁场变化又会在导体中产生电流。再通过解调将信息提取出来，即实现信息传递。微波：一般频率300M~300GHz之间，波长1m~1mm之间，分米波、厘米波、毫米波。红外线，太阳光线中众多不可见光中一种，存在于太阳光谱中红光外侧，也作为传输介质。9微波通信微波频率高，波长短，空中传播特性与光波相似，直线前进，遇阻挡会反射或阻断。微波通信主要是视距(LOS)通信，超过视距则需中继转发。普遍适用于各种专用通信网，常用传输频率范围为2~40GHz。微波通信的特点：容量大、质量好、可传至很远距离微波传输主要损耗源于衰减。对于微波以及无线电广播频段，其损耗如下，d是距离，λ是波长：微波损耗随距离平方而变化。而双绞线和同轴电缆损耗随距离呈指数变化。微波系统中继器或放大器可彼此相距很远，如10~100km。下雨时衰减增大，雨水对高于10GHz频段的影响明显。频带宽、容量大，微波通信可用于各种电信业务传输。有良好抗灾性能，一般不受水灾、风灾、地震等自然灾害影响。但经空中传输，易受电磁干扰，同一电路同一方向上不能使用相同频率，因此微波电路分配须受无线电管理部门严格管理。微波视距直线传播，城市规划要充分考虑，避免因高楼阻隔而影响通信质量。10地面微波通信通常视距范围进行，收发双方一般为两个互相对准方向的抛物面天线。地面微波中继站和中继链路可互连多个局域网，以扩大网络范围。两个视距内但相距较远的大楼LAN可通过地面微波通信互连，其成本低于有线链路互连。11地面微波天线形状一般为抛物面锅形，直径多为几米。天线大多固定，发送方天线将电磁波聚集成波束，向接收方天线进行视距传输。天线常安装在距地较高处，避开地面障碍物和扩展视距范围。更长距离传输需使用多个中继站，微波链路两两串联。12地面微波通信优点和不足容量大。波段频率高，频段范围宽，信道容量大。质量高。一般工业干扰和电干扰对微波通信影响较小。成本低。与有线电缆通信相比，微波通信投资少、见效快。易失真。微波不能有效穿越建筑物，多径衰减失真。易受环境影响。恶劣天气如雨水会吸收微波。安全保密性差。隐蔽性和保密性弱于有线网络通信。维护成本。耗费一定人力物力用于中继站维护。13卫星微波通信卫星和地球站两部分组成。卫星空中起中继作用，连接两个或多个地球站收发器。接收一个频段上行信号，放大后在另一频段下行发送。一个卫星可操作多个频段。地球站是卫星通信中地面网络接口，地面用户通过地球站连入卫星链路。频率1~10GHz，大多数使用4GHz/6GHz频段。已趋于饱和，加上干扰存在，开始使用更高频率。距离远，两地球站间传播时延可能>上百ms，普通语音通信感受明显。差错检测和流量控制一系列问题。优点：范围大、距离远、不受地面灾害影响、建设快、费用和距离无关、易广播和多址通信、同一信道可用于不同方向不同区域等。不足：信号传输时延，有些频带受天气影响，天线受太阳噪声影响，安全保密性较差，卫星本身造价高…14红外线通信红外线为载体进行数据传输的通信方式。早期多个标准，不同标准设备不能通信。1993年红外数据协会(IrDA)成立，统一规定红外数据通信协议及规范。收发器调制出互不相干的红外线，实现通信。无论直接传输，还是经由浅色表面(房间天花板)的发射，收发器间距离均不能超过视线范围。能像可见光一样集中成窄光束发射，两个优点：不易发现和截获，保密性强；几乎不受电磁、人为干扰，抗干扰性强。红外线通信机小、轻、结构简单、价廉。须在视距范围内通信，传播易受天气影响。不能架设有线线路、使用无线电又怕暴露的情况下，红外线通信是较好选择。15损耗和衰落通信损耗：衰减和衰减失真、自由空间损耗、噪声、大气吸收、多径、折射等衰落：传输介质或路径改变引起接收信号功率随时间变化。固定环境中下雨等天气变化会引发衰落，移动环境中一个天线相对另一个移动，各种障碍物的相对位置随时间而变化，传输更为复杂。16衰减和衰减失真信号强度随所跨越任一传输介质距离而下降。有线介质衰减通常为指数值：每单位距离一个固定的分贝数。无线介质衰减是更复杂的距离函数。一般应考虑3因素影响：①接收信号应有足够强度，使接收方检测并解释信号。②与噪声相比，信号须维持较高强度，以便准确接收。③高频下的衰减更严重，会引起失真。前两个因素可使用放大器或中继器。衰减失真。由于衰减变化为频率的函数，接收信号失真会影响对信号理解。与传输信号频率成分相比，接收信号频率成分有不同相对强度。可考虑跨频带衰减均匀，或用放大器更多放大高频部分。17自由空间损耗无线通信过程中离发射天线越远，接收信号功率就越低。卫星通信中是主要的传播损耗。即使无其它衰减或损耗源，长距离的信号传输也会有衰减。自由空间损耗，可表示为发射功率与天线接收功率之比，或用该比率对数值乘以10，单位为分贝。18噪声热噪声：电子热扰动产生，存在于电子设备和传输介质中，受温度影响。频谱均匀分布，称为白噪声。无法消除，有上限。卫星通信影响显著，地面站接收信号较弱。互调噪声：不同频率信号共享介质产生。新产生信号某种频率是原来多频率累加和或差。如频率f1和f2混合可能得到f1+f2频率的能量，干扰原始信号。串扰噪声：不同信号路径间融合，相邻双绞线间电子耦合产生。微波天线尽管定向性较高，但微波能量在传播期间仍会扩散。串扰与热噪声具同等(或较少)干扰作用，串扰在ISM频带中一般占主要成分。脉冲噪声：不规则脉冲或短时噪声尖峰，振幅较高。原因包括外部电磁干扰(如雷电)、通信系统错误和缺陷。对模拟数据影响不大，短时下降通话质量。可能导致数字通信严重错误，可检测发现重传。19大气吸收一般源于水蒸气和氧气。水蒸气产生的衰减峰值约22GHz，频率低于15GHz，衰减会减少。氧气产生的衰减峰值约为60GHz，低于30GHz，衰减会减少。雨雾会散射无线电波，导致衰减。针对大气吸收的损耗，降水量充沛地区，可多用短路径，或使用低频带。20多径无线环境中障碍物会反射信号，接收方收到不同时延的同一信号多路副本。极端情况可能没有直接收到信号。依赖直接或反射波路径长度不同，合成信号强度会不同于直接收到信号。针对多路径信号，固定且位置较好天线间，或在卫星和固定地面站间通信中可有效控制。但如路径穿越水面，风会使水反射表面处于运动态。在移动通信和天线位置不佳的环境中，多径因素影响较明显。教材图2.3为固定微波和移动通信中典型多径干扰类型。移动通信中，建筑物和地形特征决定了反射表面会有所不同。21折射大气层折射传播无线电波。信号高度变化会引起速率改变，大气条件下空间改变会引起折射。通常信号速率随高度增加，无线电波向下弯曲，而气条件偶尔也会导致这种变化与典型变化不同。折射可使极少部分或没有直线波到达接收天线。22移动环境中的衰落多径传播：反射、散射和衍射。电磁波遇相对该信号波长更大表面时会反射。假设靠近移动单元的一个地面发射波被接收，由于地面反射波在反射后有一个180°相移，地面波和直线波可能趋于抵消，产生较大损耗。如移动天线高度低于建筑物，会发生多径干扰，反射波可能干扰接收方。无线电波到达难以穿透的物体边界且波长小于物体尺寸，会发生衍射。波以此边界作为源向不同方向传播。即使没有发送方的无障碍直线波，信号仍可被接收。散射发生在障碍物尺寸约等于信号波长或略小时。一个输入信号会散射为几路弱输出信号。蜂窝通信中，路灯柱、交通标志等引起散射。23衰落类型：移动通信衰落效果分为快衰落或慢衰落。城市中移动节点沿一条街道移动时，超过大约波长一半距离时，信号强度急剧变化。使用900MHz接收到的信号振幅空间变化为例，振幅变化在一个短距离上高达20~30dB，即为快衰落。移动用户覆盖超出一个波长的距离，即用户穿过不同高度的建筑物、空地、十字路口等。跨越这样的长距离时，接收到发生快速波动的平均功率值会改变。教材图2.4描述了这种缓慢改变的波形，即为慢衰落。衰落效果可分为平面或选择性。24调制调制指将输入信息变换为适于信道传输形式。信号源信息通常包含直流分量和频率较低频率分量，称为基带信号。基带信号一般不能直接用于传输，需变换为一个远高于基带频率的信号，即已调信号。调制过程改变高频载波即信息载体信号的幅度、相位或频率，使其随基带信号幅度而变化。解调过程则将基带信号从载波中提取出来，使接收方能正确处理。常用调制方式：模拟、数字、脉冲25常用调制方式模拟调制：连续变化的信号调制一个高频正弦波。调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)。数字调制：用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制。振幅键控(ASK)、频率键控(FSK)、移相键控(PSK)。脉冲调制：用脉冲序列作为载波。

①脉幅调制(PAM)

②脉宽调制(PDM)

③脉位调制(PPM)

④脉码调制(PCM)

⑤脉频调制(PFM)

详细介绍见教材2.4.1节26典型数字调制技术相位键控调制PSK：根据数字基带信号，相位在不同数值间切换，载波相位随调制信号状态不同而改变。传输数字信号时，用1码控制发0°相位，0码控制发180°相位。高速数字传输应用广泛。其抗干扰性强，衰减信道中效果亦佳。分二相、四相、八相、十六相等。正交调幅QAM：同时以载波信号幅度和相位来代表不同的比特编码，多进制与正交载波相结合，进一步提高频带利用率。信号有两个相同频率载波，相位相差90°(1/4周期)，分别称I和Q信号，分别表示成正弦和余弦。两种被调制的载波发射时被混和。到达接收方后，载波分离，数据被分别提取，然后和原始调制信息相混和。具体包括二进制(4QAM)、四进制(16QAM)、八进制QAM(64QAM)等。27扩频(SpreadSpectrum，SS)对各类噪声如多径失真具有免疫性。可隐藏和加密信号。接收方须知道扩频码，才可恢复原始信息。多个用户可独立使用同样较高带宽，几乎无干扰。主流技术：跳频扩频和直接序列扩频。28跳频扩频(FrequencyHoppingSS，FHSS)一定扩频码序列进行选择的多频率频移键控调制，载波频率不断跳变。发送方看似随机的无线电频率序列广播信息，并以固定间隔从一频率跳至另一频率。接收方接收时也同步跳转频率。窃听者只能听到无法识别的杂音，即使试图在某一频率干扰，也只能影响有限几位信号。29FHSS系统框图30直接序列扩频(DirectSequenceSS，DSSS)高码率扩频码序列在发送方直接扩展信号频谱，接收方用相同扩频码序列解扩，把频谱拓宽的扩频信号还原成原始信息。原始信号中每一位在传输中以多个码片表示，即使用扩展编码。这种扩展编码能将信号扩展至更宽的频带范围上，该频带范围与使用码片位数成正比。31DSSS系统框图32复用和多址两点间信道中同时传输互不干扰多个信号称“信道复用”，而多点间实现互不干扰多边通信称“多址接入”。本质是信号分割，赋予各信号不同特征或地址。根据特征差异来区分，按不同地址分发，实现互不干扰通信。多点间通信和点对点通信技术上不同，难点在于如何消除避免冲突。关键是设计正交信号集合，各信号彼此无关。实际较难实现完全正交和不相关，一般准正交，互相关很小。允许各信号间存在一定干扰。复用方式有频分复用(FDM)、时分复用(TDM)、码分复用(CDM)、空分复用(SDM)等。多址通信方式有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等。还有极化复用和波分复用。33TDMA(TimeDivisionMultiplexingAddress)给定频带最高数据传输速率，传递时间划分为若干时隙，各用户使用某一时隙，突发脉冲序列方式接收和发送信号。用户按序占用不同时隙，一个宽带载波上以较高速率传递信息。接收方接收解调后，各用户分别按次序提取相应时隙信息。总码元速率为各路之和，还有少量位帧同步等额外开销。34FDMA(FrequencyDivisionMultiplexingAddress)常用于卫星通信、移动通信、微波通信等。传输频带划分为若干较窄且互不重叠子频带，各用户分配一个固定子频带。信号调制到该子频带内，各用户信号同时传输，接收时分别按频带提取。实际应用中滤波器往往达不到理想条件，各信号间存在一定相关和干扰。所以各频带间留一定间隔减少串扰。分模拟调制和数字调制，可由一组模拟信号用频分复用方式或一组数字信号用时分复用方式占用一个较宽频带，调制到相应子频带后传输到同一地址。模拟信号数字化后占带宽较大，可考虑压缩编码技术和数字调制技术。35OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexAddress)正交频分复用(OFDM)将信道分为若干正交子信道，将高速数据信号转换成低速子数据流，调制至每个子信道上并行传输。接收方采用相关技术区分正交信号，减少子信道间相互干扰。每个子信道上信号带宽小于信道相关带宽，每个子信道可看成平坦性衰落，从而消除符号间干扰。各子信道带宽仅是原信道带宽一小部分，信道均衡相对容易。OFDMA与OFDM相比，每个用户可选择信道条件较好的子信道传输数据，不像OFDM在整个频带内发送，从而保证各个子载波都被对应信道条件较好的用户使用，获得频率上的多用户分集增益。36CDMA(CodeDivisionMultiplexingAddress)发送方用一个带宽远高于信号带宽的伪随机编码信号或其它扩频码，调制需传输的信号，即拓宽原信号的带宽，再经载波调制后发送。接收方使用相同扩频码序列，同步后对接收信号作相关处理，解扩为原始数据。不同用户使用互相正交的码片序列，占用相同频带，实现互不干扰的多址通信。由于以正交的不同码片序列区分用户，称“码分多址”，也称“扩频多址(SSMA)”。37SDMA(SpaceDivisionMultiplexingAddress)利用空间特征区分不同用户。最常用、最明显特征是用户位置。配合电磁波传播特征，可使不同地域用户同时使用相同频率且互不干扰。如利用定向天线或窄波束天线，按一定方向发射电磁波，局限在波束范围内。不同波束可使用相同频率，控制发射功率作用于有限距离。依靠空间区分，电磁波影响范围以外地域仍可使用相同频率，如无线电频率资源管理。蜂窝移动通信充分运用SDMA，用有限频谱构成大容量通信系统，频率再用。卫星通信中采用窄波束天线实现空分多址以提高频谱利用率。空间分割不可能太细，某一空间范围一般不会仅一个用户，SDMA常结合其它多址方式。近来研究一些以往未利用的空间特征逐步得到使用。38天线无线通信系统的外界传播介质接口发送方将信号通过馈线(电缆)输送到天线，再以电磁波形式辐射出去。接收方则由天线吸收到达的电磁波，仅接收极小一部分功率，通过馈线送至无线电接收机。天线是发射和接收无线电波的重要设备。天线的型号、增益、方向图、驱动功率、配置、极化等都是影响性能的因素之一。39天线的分类按用途分为通信天线、电视天线、雷达天线等。按工作频段分为短波天线、超短波天线、微波天线等。按方向性分为全向天线、定向天线等。按外形分为线状天线、面状天线等。40天线的主要指标增益：输入功率相等时，实际天线与理想辐射单元在空间同一处产生的信号功率密度之比。定量描述了天线集中辐射输入功率程度。增加增益就可在一个确定方向上增大网络覆盖范围，或在确定范围内增大增益余量。方向图：天线辐射电磁场在固定距离上随角坐标的分布图形。用辐射场强表示，称为场强方向图。用功率密度表示，称为功率方向图。用相位表示，称为相位方向图。归一化方向图取最大值为一。方向图中包含所需最大辐射方向的辐射波瓣称天线主波瓣或天线波束。主瓣之外称副瓣、旁瓣或边瓣，与主瓣相反方向旁瓣为后瓣。极化：描述电磁波场强矢量空间指向的一个辐射特性，习惯以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向，指在该天线最大辐射方向上的电场矢量。电场矢量的空间取向在任何时间均不变的电磁波称直线极化波。电场矢量方向平行于地面的波称水平极化波，垂直于地面的波称垂直极化波。电场矢量和传播方向构成平面称极化平面。天线可能会在非预定的极化上辐射不需要能量，称交叉极化辐射分量。41其它技术指标电压驻波比。天线输入阻抗与特性阻抗不一致，反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波，相邻电压最大和最小值之比。比值过高将缩短通信距离，反射功率返回发射机功放，易烧坏功放管，影响系统工作。端口隔离度。多端口天线收发共用时，端口间隔离度应大于30dB。回波损耗。接头处反射与入射功率之比，反映了天线匹配特性。无源互调。接头、馈线、天线、滤波器等无源部件在多个载频大功率信号条件下，部件本身非线性引起互调。功率容量。指平均功率，包括匹配、平衡、移相及其它耦合装置，承受功率有限。其它指标，如防护能力、工作温度和湿度、外观尺寸等。42天线分集技术衰落效应影响通信质量。加大发射功率、增加天线尺寸和高度等方法并不现实，且会干扰。分集技术在若干支路上接收彼此相关性很小的同一数据信号，然后合并输出，可在接收方降低深衰落概率。采用分集接收减轻衰落影响，获得分集增益，提高接收灵敏度。分集通过多信道(时间、空间、频率)接收到载有相同信息的多个副本，各信道传输特性不同，各副本衰落相关性较小，同时出现深衰落概率较小，可提高接收性能。分集特点：分散传输，接收机能获得多个独立携带同一信息的衰落信号；集中处理，接收机将收到的多个独立衰落信号合并，以降低衰落影响。空间分集、时间分集、频率分集、极化分集、接收合并43赋形波束技术根据系统性能指标，对基带(中频)信号的最佳组合或分配。补偿传播过程中由空间损耗、多径效应等导致的信号衰落与失真，同时降低同信道用户间干扰。先系统建模，描述系统中各处信号。再根据性能要求，将信号组合或分配转化为数学问题，寻求最优解。直接建立在信道参量基础上，其算法描述、性能分析及仿真都依赖无线移动信道的建模与估计。分上行和下行两个方向。上行与用户信号检测密切相关。如CDMA系统赋形波束可结合各种信号检测尤其是多用户检测技术，实现协同检测。下行波束赋形与功率分配有关，可使用波束赋形分辨同信道用户的空域。44智能天线技术基站双向天线，通过一组可编程电子相位固定天线单元获取方向性，获取基站和移动终端间链路方向特性。多波束天线，利用多并行波束覆盖整个用户区，各波束指向固定，宽度由天线孔径决定。用户移动时，基站在不同波束中选择，使接收信号最强。用户信号位于波束边缘且干扰信号位于波束中央时，接收效果最差。结构简单、无须判定用户信号到达方向。自适应天线阵列，采用4~16天线阵元结构，阵元间距为半个波长。阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。能识别用户信号的到达方向，在此方向形成天线主波束，而在干扰方向形成零陷抑制干扰。传统天线电磁波辐射较大，电磁污染较重，智能天线有效降低辐射45MIMO(MultipleInputMultipleOutput，多入多出)多发射、多接收天线进行空间和时间分集，利用多天线抑制信道衰落。发送方和接收方均采用多根天线或天线阵列，构成无线MIMO系统46MIMO的关键技术信道估计。采用空时编码时，接收方需准确知道信道特性才能有效解码，因此信道估计尤为重要。一类是训练序列或导频，另一类是采用盲方法辨别信道，分为全盲和半盲。空时信号处理。从时间和空间同时进行信号处理，分为空时编码和空间复用。同步。载波同步、符号同步和帧同步等。分集。时间、频率和空间三种分集技术，有效增加对噪声、干扰、多径的容忍。47认知无线电(CognitiveRadio,CR)智能无线电，对环境极度敏感的软件无线电。CR可感知周围环境特征，实时调整自身内部状态和收发参数，选择合适载波频率、传输功率和调制方式，实现最佳性能。48认知无线电的功能感知能力涵盖：波形、频谱、网络、地理位置、本地可用业务、用户需求、语言、状态、安全策略感知等。自动观察无线电环境、分析信息内容、评估选择、产生计划、监控服务，通过模型推理来获得特定能力。从错误中学习，包括有指导和无指导的机械学习。基本功能：分析无线环境，估计空间电磁环境中的干扰温度和检测频谱空洞；信道状态估计及容量预测；功率控制和动态频谱管理。空间射频激励来分析电磁环境，寻找满足干扰温度要求的频段，如果该频段信道状况满足要求，则向网络发送资源分配请求。通信中要避免干扰正在使用信道的主用户。次级用户利用主用户未使用频段，不要过于频繁切换频段。49认知无线电的关键技术频谱检测：寻找合适频谱空洞并反馈至发送端进行频谱管理和功率控制。频谱空洞指分配给某用户但一定时间位置空闲的频谱。

能量检测。检测频带是否被占用，如果接收机不能接收足够主用户信息，而只接收到随机高斯噪声，则需进行能量检测。

干扰温度检测。干扰温度表征某个频带和特定地理位置无线电环境。准确测得干扰源导致干扰；准确设计合适干扰阈值，如干扰低于该值则系统可正常工作。频谱管理：动态频谱分配。将一部分用于不同业务的频谱合成一个公共频带，将整个频带划分为若干子信道。使信道利用率最大化，同时考虑用户接入公平性。功率控制：多用户传输的CR系统中，发送功率控制受到给定干扰温度和可用频谱空洞数量的限制，需采用分布式功率控制扩大通信系统工作范围。50可见光通信(VisibleLightCommunication，VLC)使用380-780nm光谱可见光进行短距离无线通信，通过可调强度可见光源传输数据。LED比人眼的持久性快。传统RF通信在6GHz以下频段，高数据率通信会迅速耗尽频谱带宽。VLC工作频率可达300THz，能在短距离内提供每秒几千兆比特的数据传输速率。RF通信传输、采样和处理每秒千兆比特的数据率，需大功率的传输设备，而VLC仅需简单发光二极管和光电探测器即可。挑战一：光源闪烁现象应尽可能小，以免伤害人眼。为避免闪烁，可见光亮度变化须在最大闪烁时间周期范围内，定义为人眼感知不到光改变的最大时间周期。频率>200Hz即闪烁周期<5ms通常安全。VLC调制过程中必须无任何明显闪烁，无论单帧还是多帧之间。挑战二：调光，即节能和环保。512000年，庆应大学和SONY公司首次利用LED照明灯作为基站进行无线传输。2007年，日本电子和信息技术产业协会推动“可见光身份系统”。2008年，可见光通信联盟制订标准。美国政府设立“智能照明”项目。2011年，英国学者的VLC演示，被《时代周刊》评为2011年全球50大科技发明。VLC已列为IEEE802.15.7标准。物理层I速率为11.67~266.6kbps，II为1.25~96Mbps，III为12~96Mbps。物理层I和II为单一光源。物理层III采用不同频率(颜色)使用多光源，色彩偏移键控(CSK)调制。爱丁堡大学Hass研究组利用普通灯泡实现无线传输数据，LiFi。连接因特网数据传输。可见光闪烁进行编码和传输，LED灯开表示1，关表示0，通过快速开关变化就能传输信息。LED灯泡闪烁频率可达每秒百万次。闪烁对肉眼并不可见。Hass研究组实现两米范围内130Mbps的传输速率，应用场景可扩展到街头、机场、水下等。一个局限是可见光无法穿透障碍物，接收器被阻挡，信号将中断。另一局限是移动性，较难用电灯泡向快速移动的物体发送数据。LiFi较安全，只有处在光线传播直线上节点才可能截获信息。52激光通信2013年9月，NASA进行月球激光通信演示(LLCD)试验，使用激光代替无线电射频的首个双向通信系统。使用脉冲激光束在地球和月球间384000公里的距离传输数据，下载速率达622Mbps，从新墨西哥州地面站向绕月轨道航天器的有效上传速率达20Mbps。以往进行深空星际通信的思路是依赖传统无线电射频信号，随着数据容量需求增加和无线电频谱资源的有限性，研究目光转向激光通信。开发部署成本较高，但有巨大的技术优势和潜力。53网络仿真技术简介通过数学建模、统计分析方法，利用计算机软件来模拟真实网络行为的技术。通过建立网络设备和网络链路的统计模型，模拟网络流量的传输，从而获取协议设计、网络优化等需要的网络性能数据。网络仿真不再单纯依赖数学计算，而基于统计模型。统计复用的随机性能得到准确再现。特点：在高度复杂的网络环境下能得到高可信度的结果。

预测功能是其它传统方法无法比拟的。

使用范围广，既用于现有网络优化和改进，也用于设计新方案。

初期成本低，建好的网络模型可延续使用，后期投入会不断下降。OPNET、NS2、MATLAB54OPNET仿真平台面向专业研发人员，网络架构、设备和应用设计、分析和管理等。4个系列：

ServiceProviderGuru：面向服务商的智能化网管软件

Modeler：网络技术和产品开发平台，设计分析网络、设备和通信协议

ITGuru：预测分析网络和应用性能，诊断，查找瓶颈，提出验证方案

WDMGuru，波分复用光纤网络分析评测主要特点：

三层建模机制。底层Process、中间Node、上层网络模型

提供齐全的基本模型库；

采用离散事件驱动的仿真机理；

采用混合建模机制；

统计收集和分析功能；

提供和网管系统、流量监测系统的接口。55NS2(NetworkSimulator2)仿真平台加州大学伯克利分校开发的适于多种网络的权威仿真软件。开放源码，免费下载，得到广泛应用和认可。用于有线或无线、本地连接、卫星连接等。包括大量工具模块，涉及TCP协议、路由算法、多播协议、调度器等。详细跟踪仿真过程，仿真动画NAM进行回放。很多研究小组对NS2功能进行扩展，支持各种新网络技术。采用分裂对象模型的开发机制，C++和Otcl两种语言，TclCL自动连接和映射。将数据通道和控制通道的实现相分离。事件调度器和数据通道上的基本网络组件对象使用C++编写，对象通过TclCL映射对Otcl解释器可见。仿真用户编写相对简单的Tcl/OTcl脚本代码，快速配置仿真拓扑、节点、链路等各种部件和参数。本书实验大部分采用NS2仿真环境，许多章节都提供供读者自行运行观察的仿真实验示例，读者可自行分析代码，观察结果。56NS3仿真平台NS3处于开发阶段，/陆续发布新版NS3，新增MIMO、HARQ、控制信道和参考信号、MAC随机访问模型等。NS3是NS2的升级，但与已有NS2平台不具有继承关系，是全新的网络仿真器，不支持NS2的API。NS3采用纯C++进行模块设计和仿真分析，同时还提供了可选Python进行仿真设计。代码管理和编译，NS2采用make，而NS3采用了waf。NS3开发中，不如NS2完善，不包含目前所有NS2功能，其新特性：多网卡处理、IP寻址策略、更完善的网络模块等。4大类组件：

①Node：可添加应用、协议、外部接口等；

②NetDevice：网卡及驱动，如CsmaNetDevice、WifiNetDevice；

③Channel：通道，如CsmaChannel、WifiChannel；

④Application：应用程序，如UdpEchoClientApplication、UdpServerApplication。TopologyHelper模块，对应每种拓扑连接，如CsmaNetHelper。57MATLAB仿真平台数值计算和图形处理科学计算软件。集成程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、网络仿真、人工智能/神经网络、工业控制等各领域研究功能。人机交互环境，基本数据结构为矩阵。与C/FORTRAN等相比，可节省大量编程时间。5个主要部分：

(1)语言体系。提供高层次的矩阵/数组语言。

(2)工作环境。变量数据I/O方法，开发